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近年来,随着智能电网技术和数字化变电站技术的不断发展,基于新型智能电子设备、网络通信以及多测点信息综合比较判断的广域保护受到了国内外学者的广泛认可,但同时也增大了电力系统继电保护错误动作的风险。因此,有必要加强保护设备投运之前的检测工作,避免保护装置因错检漏检而造成重大损失。
电流互感器(CT)作为继电保护测量回路的重要组成,其极性的连接直接影响了保护的正确动作,因此现有规程均要求CT在投运前进行离线校验和带负荷检测以确保极性的正确。目前,离线检测方法主要包括直流法、交流法和仪表法[1]。直流法将直流电源和毫安表按相同的正负极性分别接于CT一、二次侧,根据毫安表的指针位置来判断极性。交流法则需短接相同极性端口的CT一、二次线圈,并在二次侧接交流电压,通过测量两个端口的电压与一次侧电压的关系来判断极性。仪表法利用互感器校验仪直接检测CT极性,若其指示器没有指示,则其极性为正,否则为负。
离线检测具有较高的精度,但无法避免接线等造成的极性错误,因此带负荷检测仍是确保CT极性正确的必要环节[2]。常用的极性带负荷检测方法主要通过电流电压间相角与有功无功间相角的对比、测量差动保护的差动电流以及比较线路同名相电流相位[3-4]。然而,无论是离线检测还是带负荷检测,现有方法均需要复杂接线和操作,不仅工作效率较低,而且容易因为人为疏忽导致漏检或错检情况出现[5]。文献[6-7]介绍了两起变压器差动保护误动的案例,文献[8]介绍了母线差动保护误动的案例,其原因均是由于电流互感器极性错误,且都造成了较为严重的停运事故。
为此,有必要研究更加简单有效的极性检测方法以确保继电保护的可靠工作,避免测量回路极性错误引起保护装置错误动作,以及可能造成的区域性大面积停电事故。本文研究分析了继电保护电流测量回路极性错误的影响,通过测量回路广义变比的定义,建立了基于广义变比的极性辨识模型,从而构建了继电保护电流测量回路极性检测新方法。该方法可避免复杂接线和人工操作,无需添加硬件,具有精度高、易于实现的优点,是现有互感器极性检测方法的有效补充。
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图 4所示为采用PSCAD/EMTDC搭建的母线差动保护电流测量回路极性故障检测仿真系统。
图 4中各电流互感器额定变比均为N=1 200/5,单相电源M、N相同,其额定电压为220 kV、频率为50 Hz,其负载分别为Z1=2 500 Ω+j942 Ω,Z2= 1000Ω+j157 Ω和Z3=150 Ω+j31.4 Ω。
设定图 4仿真系统中各支路电流测量回路综合误差为零且极性正确,正常运行状态下,根据图 2采集图 4中母线保护装置各二次电流${i_{2i}}$,采样时段为0.1~0.2 s,如图 5所示。
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假定图 4仿真系统CT1和CT2的相位误差为0.225°且无幅值误差。分别设定测量回路所有支路极性正常、仅CT1或CT2所在测量回路支路极性接反以及CT1和CT2所在测量回路支路极性同时接反,根据2.2节方法计算测量回路各支路广义变比,如表 1所示。
广义 变比 各支路极性均正确 仅CT1所在 支路极性接反 仅CT2所在支路极性接反 CT1、CT2所在 支路极性同时接反 ng1 0.856 5 -0.856 5 0.856 5 -0.856 5 ng2 0.922 0 0.922 0 -0.922 0 -0.922 0 ng3 1.029 5 1.029 5 1.029 5 1.029 5 ng4 1.000 1 1.000 1 1.000 1 1.000 1 ng5 1.000 0 1.000 0 1.000 0 1.000 0 由表 1可知,当各测量回路支路极性均正确时,各支路广义变比符号全为正;仅CT1或CT2所在测量回路支路极性接反时,CT1或CT2所在支路广义变比符号为负,其他支路广义变比符号为正;当CT1、CT2所在测量回路支路极性同时接反时,CT1、CT2所在支路广义变比同时变负,其他支路广义变比符号为正。由此,验证了可根据电流测量回路广义变比的正负符号辨识其极性故障的结论。
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系统实际运行条件下,电流测量回路各环节误差不可回避,为验证测量回路误差对极性故障诊断的影响,在图 4的仿真系统中设定CT1所在支路电流测量回路极性接反且存在如表 2所示的误差情况,其中ε为幅值误差、θ为相位误差(超前为正、滞后为负)。计算CT1所在支路广义变比ng1,如表 2所示,CT1所在支路测量回路极性接反时在不同误差下的广义变比辨识值。
q/(°) e/% -10 -5 0 +5 +10 1 -1.224 3 -1.159 7 -1.101 8 -1.049 4 -1.001 6 0.45 -1.153 1 -1.092 4 -1.037 4 -0.988 2 -0.943 2 0 -1.099 1 -1.041 1 -0.998 3 -0.944 2 -0.899 4 -0.45 -1.041 7 -0.986 7 -0.937 3 -0.892 6 -0.852 3 -1 -1.019 0 -0.963 7 -0.915 7 -0.871 7 -0.828 3 由表 2可知,电流测量回路误差对其极性故障的诊断影响非常显著。当电流测量回路极性接反时,其广义变比的辨识值始终为负;随着测量回路幅值误差的增大,广义变比辨识值增大;随着测量回路相位误差的增大,广义变比辨识值减小。另外,综合误差数值越大,其广义变比辨识值偏离理想变比-1越大,这与实际运行经验相吻合。测量回路综合误差在规程规定范围之内时[3],即$\varepsilon \in ( - 10{\rm{\% }},{\rm{ + }}10{\rm{\% }}),\theta \in ( - 1^\circ ,{\rm{ + }}1^\circ )$,在本文研究所设定的可靠系数1.1下其广义变比辨识值满足极性故障判据。由此可见,通过广义变比辨识值取值范围的判断可以排除测量回路综合误差对极性故障检测的影响,从而验证了本文方法的有效性。
广义变比相对负载灵敏度定义为单位负载量变化所导致的变比值变化为:
设定图 4仿真系统仅CT1所在支路极性接反,其幅值和相位误差分别为-10%与1°,逐一改变CT1所在支路负载大小,分别为0.5Z1、1.5Z1、1.9Z1、2Z1以及2.5Z1,并统计仿真系统所有支路二次电流采样值最大值与最小值的平均倍数f,并判断能否诊断其极性故障。表 3为本文研究的极性故障诊断方法灵敏度仿真结果。
负载 f 广义变比 能否诊断极性故障 ng1 ng2 ng3 ng4 ng5 0.5Z1 6.8 -1.199 1.105 0.951 0.999 1.000 能 Z1 13.3 -1.224 1.093 0.971 1.000 1.000 能 1.5Z1 19.9 -1.187 1.055 0.984 1.000 1.000 能 1.9Z1 25.3 -1.223 1.049 0.985 1.000 1.000 能 2Z1 26.7 -1.233 1.049 0.985 1.000 1.002 不能 2.5Z1 33.4 -1323 1.050 0.982 1.001 1.000 不能 根据表 3的仿真结果可知:即便保护系统角差和幅值误差处于极端情况下,系统各二次采样电流最大值与最小值的平均倍数f高达25时,本文方法都能正确检测出极性故障情况,具有较高的灵敏度。